李文龍

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060;2.廣州市資源規(guī)劃和海洋科技協(xié)同創(chuàng)新中心,廣東 廣州 510060;3.廣東省城市感知與監(jiān)測預(yù)警企業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 510060)

0 引言

正常的邊坡在自重、人為、地下水、地震等外力作用下沿著軟弱面下滑的現(xiàn)象稱為滑坡?；陆o人類的生產(chǎn)生活帶來極大的不便,而且還造成公路、鐵路等交通設(shè)施以及構(gòu)建筑物的癱瘓。因此,邊坡的穩(wěn)定性研究及滑坡的防治、監(jiān)測等研究工作一直受到廣泛的關(guān)注。

近年來,經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的大量研究以及大量工程實例的應(yīng)用,邊坡工程治理理論的分析研究已經(jīng)漸趨成熟。盡管在各種邊坡工程中支護效果好、有利于機械化操作、用料省、施工簡單、速度快等優(yōu)點己經(jīng)應(yīng)用十分廣泛,但是在加固后的滑坡監(jiān)測的問題仍然嚴重受限,滯后于邊坡工程的實際需求,不足以支撐更廣泛的工程應(yīng)用以及進一步的提升空間。所以對于滑坡智能監(jiān)測的手段亟待改善。

目前,如形狀記憶合金、無人機、碳纖維、電阻應(yīng)變絲、壓電材料等常規(guī)監(jiān)測技術(shù)手段發(fā)展已經(jīng)相對成熟,然而無論是從測量精度、能耗、環(huán)境適應(yīng)性以及監(jiān)測尺度方面,均有明顯的優(yōu)、缺點,所以在土木工程監(jiān)測領(lǐng)域需不斷創(chuàng)新,注重發(fā)展高靈敏度、低能耗的智能化、常態(tài)化監(jiān)測手段。

隨之微型機電系統(tǒng)的高速發(fā)展,MEMS傳感器在土木、地質(zhì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈發(fā)寬闊。MEMS(Micro-electro Mechanical Systems)起源可追溯到上世紀五十年代,人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體硅的壓阻效應(yīng)后開始了對Si傳感器的研究工作。1962年,首個硅材質(zhì)微型傳感器的誕生開啟了MEMS傳感器監(jiān)測領(lǐng)域的序幕,MEMS的飛速發(fā)展也逐步提升了傳感器的監(jiān)測精度與廣度[1]。對于以往智能監(jiān)測方法存在造價高、監(jiān)測周期短、布控點有限、維護價格高等問題,MEMS技術(shù)的發(fā)展為土木工程、地質(zhì)工程中提出了新的可能。

1 邊坡監(jiān)測主要方法

以往的邊坡監(jiān)測可分為變形情況監(jiān)測、孔隙水壓力分布監(jiān)測和應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測[1]。對邊坡的監(jiān)測預(yù)警來講,最直接的方法還是變形監(jiān)測。

目前對于變形智能監(jiān)測的主要方法有:

(1)激光測距是采用激光反射對目標(biāo)物進行測距定位,可進行高密度、高精度的作業(yè)實現(xiàn)對邊坡整體的全覆蓋,其主要優(yōu)點為實時、直觀、非接觸性。

(2)危巖宏觀監(jiān)測是對大型危巖體的監(jiān)測手段,其主要應(yīng)用場景為危巖體變形趨勢監(jiān)測及發(fā)災(zāi)預(yù)警[2]。

(3)近景攝影測量技術(shù)多用于監(jiān)測邊坡表面,近年來該方法發(fā)展較快,對邊坡變形信息的監(jiān)測范圍全面,更為直觀,但是精度較低,儀器昂貴,適用距離較近且不能自動化等制約了其進一步發(fā)展[3]。

(4)射頻識別技術(shù)RFID危巖災(zāi)害監(jiān)測是將電子標(biāo)簽布設(shè)在危巖體上,采集器布設(shè)于危巖體前安全區(qū)域,隨著危巖體的運動,采集器可實時追蹤電子標(biāo)簽的信息,進而實現(xiàn)監(jiān)測及報警的功能[2]。

(5)常規(guī)儀器與全球定位儀結(jié)合[4]是由測斜、孔隙水壓、雨量、TDR和天線等元件組成,其中前三個在常規(guī)巖土工程監(jiān)測中十分常見,TDR作為信號測試儀與同軸電纜,運用點信號脈沖遇到發(fā)生變形的位置時會發(fā)生反射現(xiàn)象。通過比較反射信號與發(fā)射信號,從而獲得信號傳播幅度和時間的變化,最終獲得反射點的位置與該處的變形情況[5-6]。相對于測斜儀需要經(jīng)過計算才可得出位移,GPS天線可直接作用監(jiān)測位移的傳感器,然而造價過高。常規(guī)監(jiān)測儀器與全球定位儀結(jié)合的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)可現(xiàn)場存儲監(jiān)測數(shù)據(jù),并根據(jù)用戶的要求或者自動的把該數(shù)據(jù)傳給用戶,此過程的所有數(shù)據(jù)的采集、記錄、儲存、發(fā)送都由程序自動控制。

(6)GPS和GIS技術(shù)的結(jié)合可通過搭建數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng),通過集成GIS地理數(shù)據(jù)、GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)實現(xiàn)對目標(biāo)的實時監(jiān)測。監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)主要是根據(jù)GPS監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行GIS數(shù)據(jù)處理,將兩個相互關(guān)聯(lián)起來,提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維顯示效果,從而更加直觀、可靠地進行邊坡監(jiān)測[7]。

(7)光纖光柵是利用光纖材料的光敏性,當(dāng)光子射入時,紫外激光在纖芯內(nèi)形成具有空間相位的布拉格光柵,進而會產(chǎn)生一個永久的折射率的變化。當(dāng)傳感器在拉伸的作用下將位移變化通過滑塊轉(zhuǎn)化成懸臂梁自由端撓度的變化,通過測量懸臂梁上下表面的波長變化差值來反映邊坡的位移變化量,達到監(jiān)測的目的[8-9]。布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期相關(guān),即:

λB=2neff·Λ

(1)

式中:λB為布拉格光柵的中心波長;neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為布拉格傳感器光柵的柵距。

2 MEMS傳感器發(fā)展及應(yīng)用

2.1 MEMS傳感器

1962年,MEMS傳感器的發(fā)明打開了智能監(jiān)測全新領(lǐng)域的大門,并不斷促進該項技術(shù)在土木工程、地質(zhì)工程領(lǐng)域快速發(fā)展[10]。1987年,馮龍生等研發(fā)的動態(tài)Si微尺寸電機,引發(fā)了科研領(lǐng)域的轟動[11]。目前,MEMS技術(shù)的體量輕小、能耗極低、靈敏度高等優(yōu)勢逐漸被認可并迅速發(fā)展。

MEMS加速度計根據(jù)監(jiān)測原理可為電容式、諧振式、隧道式、壓阻式、壓電式以及熱對流式。上個世紀六七十年代開始,國外已經(jīng)開始研發(fā)MEMS加速度計。其中,ADI公司的ADXL系列的加速度計以其高超的加工工藝開發(fā)了相對成熟的傳感器,并得到了廣泛的使用。此外,Freescale、Silicon Design等公司以及德國、日本、美國等高校都陸續(xù)研發(fā)了相對成熟的產(chǎn)品[12]。臺灣科研機構(gòu)[13]開發(fā)了基于MEMS、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng),將加速度計與壓力計集成后對橋梁進行監(jiān)測。2007年,愛荷華州立大學(xué)研發(fā)可用于監(jiān)測公路溫度等參數(shù)的無線傳感器,為混凝土強度分析提供參考[14]。2008年,美國及印度等學(xué)校為監(jiān)測橋梁震動、安全情況,研制了MEMS傳感器覆蓋式的監(jiān)測系統(tǒng)[15]。2017年,王文廣等為實現(xiàn)高精度監(jiān)測基坑位移,采用MEMS傳感器的角度變化成功監(jiān)測基坑各部位的位移變化,監(jiān)測精度高,布控靈活,取得了較好的效果[16]。

2.2 MEMS加速度計原理及數(shù)據(jù)分析

通常,MEMS加速度計為三維監(jiān)測,因此計算其合成加速度,可通過以下公式計算:

(2)

其中:ax、ay、az分別表示x軸、y軸、z軸在t時刻的采樣大小;Ac(t)表示合成加速度。

此外,由于加速度計在實際應(yīng)用中通常存在角度傾斜、偏移等問題,因此在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時,通常需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo),以達到預(yù)期的坐標(biāo)平面。則可通過以下公式獲得P′與原坐標(biāo)系的關(guān)系:

(3)

MEMS傳感器的恒定頻率監(jiān)測應(yīng)用廣泛,基于運動時的正弦規(guī)律,國內(nèi)外學(xué)者采用簡單且結(jié)果較為準(zhǔn)確的峰值檢測法:

(4)

式中:當(dāng)前算法范圍為n,加速度序列為A(n,t)={a(k+1,t),a(k+2,t),…,a(k+n,t)},加速度峰值為apeak。

MEMS技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景使其在土木工程監(jiān)測方面大有可為,其體積小、能耗低、精度高等優(yōu)勢為巖土工程領(lǐng)域的智能監(jiān)測提供了思路[17-18]。

3 結(jié)語

(1)滑坡等災(zāi)害對人類生產(chǎn)生活造成較大的損失,目前對于邊坡的常態(tài)化智能監(jiān)測有激光、宏觀監(jiān)測、材料相關(guān)傳感器以及新型光纖光柵技術(shù),以上技術(shù)手段均有明顯的精度低或造價高等缺點。

(2)隨著地質(zhì)工程監(jiān)測領(lǐng)域的不斷發(fā)展,MEMS技術(shù)的獨特優(yōu)勢對滑坡智能監(jiān)測及防治具有重大的現(xiàn)實意義,其具有體積小、造價低、精度高、能耗低等優(yōu)點,對于我們了解邊坡滑動機理、孕災(zāi)機制、治理邊坡具有較為廣闊的應(yīng)用前景。